一文读懂IGBT封装失效的机理

IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，最后用塑料壳封装，IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。

从上之下它依次由芯片，DBC（Directed Bonding Copper）以及金属散热板（通常选用铜）三部分组成。DBC由三层材料构成，上下两层为金属层，中间层是绝缘陶瓷层。相比于陶瓷衬底，DBC的性能更胜一筹：它拥有更轻的重量，更好的导热性能，而且可靠性更好。

IGBT的封装失效机理

功率器件的可靠性是指在规定条件下，器件完成规定功能的能力，通常用使用寿命表示。由于半导体器件主要是用来实现电流的切换，会产生较大的功率损耗，因此，电力电子系统的热管理已成了设计中的重中之重。在电力电子器件的工作过程中，首先要应对的就是热问题，它包括稳态温度，温度循环，温度梯度，以及封装材料在工作温度下的匹配问题。

由于IGBT采取了叠层封装技术，该技术不但提高了封装密度，同时也缩短了芯片之间导线的互联长度，从而提高了器件的运行速率。但也正因为采用了此结构，IGBT的可靠性受到了质疑。不难想象，IGBT模块封装级的失效主要发生在结合线的连接处，芯片焊接处，基片焊接处和基片等位置。

在通常的功率循环或温度循环中，芯片，焊料层，基片，底板和封装外壳都会经历不同层度的温度及温度梯度。热膨胀系数（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）是材料的一项重要性能指标，指的是在一定温度范围内温度每升高1度，线尺寸的增加量与其在0度时的长度的比值。图1-2是IGBT堆叠结构中常用材料的热膨胀系数，由于各自材料的热膨胀系数不同，在温度变化时不同材料之间的热应变不同，相互连接层之间的接合会产生因热应力疲劳损耗。因此，器件的热行为与模块封装的结构息息相关。调查表明，工作温度每上升10℃，由温度引起的失效率增加一倍。

图1-3标注了IGBT模块在工作过程中容易发生疲劳损耗的点，具体有：

铝接合导线的脱离

IGBT内的铝接合导线的直径通常为300-500um，他们的化学成分因生产厂商而异。 然而，几乎在所有情况下，在纯铝中加入千分之一的合金，例如硅镁或硅镍合金，铝的硬度会大大提升因而抗腐蚀性得以控制。由于与长度的不成比例以及轻微依赖衬底的温度，接合线的电流容量会有所下降。最大的直流电流受限于导线自身的欧姆热效应带来的熔化。由于铝接合线是直接接在芯片或压力缓冲器上，会承受较大的温度变化，而IGBT模块是由不同热膨胀系数的材料构成，在工作期间，必然会有明显的热疲劳。这种疲劳会随着工作时间的推移，导线自身的欧姆效应变得越来越明显，最终在键合线根部产生裂痕。

在热循环测试中，热膨胀系数的不匹配会造成键合表面周期性的挤压和拉升作用，而这种作用远远超出材料本身的伸缩范围。在此情况下，压力会通过不同的方式释放出去，如扩散蠕动，颗粒滑行，错位等形式。铝的重塑会导致接触面有效面积的减少，从而导致方块电阻的增加。这也解释了为什么随着周期性测试，Vce也呈线性增加的趋势。

焊料疲劳与焊料空隙

芯片与衬底之间的焊料层因热膨胀系数的不同产生的裂痕会增加导线的接触电阻，电阻的增加会导致欧姆效应的增强，如此温度正反馈会使裂痕越演越烈，最终导致器件的失效。焊料层内的空洞会影响温度热循环，器件的散热性能降低，这也会促进温度的上升，从而加快模块的损坏。并且，应力与应变之间存在着滞回现象，在不断地温度循环当中，材料的形状实时地发生改变，这又增加了焊锡的热疲劳。此外，应工艺问题在焊锡中引入的空洞会影响期间在工作过程中的热循环，造成局部温度过高，这也是模块失效的一个重要原因。

晶圆及陶瓷裂痕

在IGBT七层结构中，因热膨胀系数的不匹配会给各层带来非常大的机械应力。在温度差异的情况下，各层材料的形变有所不同，并且同层材料的不同部分也会因为温度分布的差异导致形变程度的不同，这样就不可避免地存在局部应力过大的问题，从而导致材料的开裂。